微生物镉解毒机制及微生物-植物互作修复研究进展

镉(cadmium,Cd)是引起粮食减产的主要金属之一,具有高溶解性及高迁移性,易被植物吸收和积累。微生物长期在镉胁迫的条件下进化出一系列的镉解毒机制。微生物对镉的解毒包括抑制Cd(Ⅱ)的进入、促进Cd(Ⅱ)的外排,以及将进入胞内的Cd(Ⅱ)进行“扣押”。微生物的Cd(Ⅱ)钝化是通过细胞吸附和胞外沉淀将游离态的Cd(Ⅱ)进行钝化,这类微生物具有较强的土壤镉污染治理潜力。本文主要介绍微生物的镉解毒机制、微生物-微生物互作、微生物-植物互作机制及其在镉污染生物修复中应用的最新研究进展。     

与植物镉吸收转运相关的主要基因家族

镉(cadmium)是一种对植物毒性极强的非必需微量元素,影响植物生长发育,甚至死亡,并可在植物体内积累而威胁食物链顶端生物的生命健康。目前已发现有多类基因家族的成员参与了植物中镉的吸收转运过程,包括P型ATP酶、ABC、MATE、NRAMP、CE、CAX、ZIP、OPT等。这些基因家族主要是在吸收转运铁、锌、镁等植物必需微量元素的同时,也具有吸收转运镉等有毒重金属的功能。     

镉与磷、锌、铁、钙等元素的交互作用及其生态学效应

镉是动物和植物的非必需元素 ,也是毒性最大的重金属之一。环境镉污染对植物、动物和人体均产生毒害作用。镉与许多生命必需营养元素存在着交互影响关系 ,相互影响着对方的功能发挥。镉污染胁迫可影响动植物和人体对营养元素的吸收 ,相反补充营养元素可减轻镉的毒害。但是 ,由于每个元素的性质和功能不一样 ,因此不同元素与镉的交互作用存在着差异性。镉与营养元素的交互作用研究可为生物镉污染防治提供科学依据。     

硅缓解植物镉毒害的生理生态机制

镉是对生物毒性最强的污染物之一。过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用,干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫。硅作为一种有益元素,主要以Si(OH)_4的形态通过主动或被动方式被植物体吸收并转运到地上部分。硅对植物镉毒害具有缓解作用,但其缓解机制在不同物种、品种或生态型之间存在显著差异,并表现出一定的硅/镉浓度依赖性。总体上可概括为避性机制和耐性机制。避性机制包括:(1)在器官水平,减少植物根系对镉的吸收及其向地上部的转运;(2)在细胞水平,增强细胞壁对镉的吸附能力,减少共质体中镉的含量。耐性机制包括:(1)诱导细胞产生小分子螯合剂,增强对镉的螯合作用,减少细胞中游离态镉的含量;(2)增强抗氧化机制,减轻氧化胁迫;(3)改善光合作用和无机营养,促进植物生长。从植物对硅的吸收和转运、镉对植物的毒害作用以及硅对缓解植物镉毒害的生理生态机制3个方面进行了综述,并基于目前的研究现状和薄弱之处,对今后的研究重点进行了展望。     

微生物在镉污染土壤修复中的应用及其作用机理

土壤中镉（Cd）含量的超标导致了土壤生态系统的恶性发展,微生物作为土壤中的常见组分之一在缓解土壤镉污染中展现出巨大潜力。本文总结了微生物、微生物-植物和微生物-生物炭在镉污染土壤修复中的应用并阐述了相关的作用机理。芽孢杆菌（Bacillus）、不动杆菌（Acinetobacter）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescence）、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）等微生物可以通过吸附、矿化、沉淀、溶解等方式改变镉的生物有效性,从而达到缓解镉污染的目的。pH值、温度、微生物生物量、镉初始浓度以及时间等对微生物降低镉的生物有效性方面有着显著的影响。假单胞菌、伯克霍尔德菌（Burkholderia）、黄杆菌（flavobacterium）等微生物可以通过促生、活化等作用促进超富集植物对Cd²⁺的吸收。生物炭作为一种土壤改良剂,其独有的理化性质可以作为微生物的庇护所。微生物-生物炭联合使用与单用生物炭相比可以进一步促进镉的残渣态的增加,降低土壤中有效态的比例。     

镉在水生植物中的富集与亚细胞分布及其化学形态特征

以7种水生植物(长苞香蒲、水生美人蕉、黑藻、粉绿狐尾藻、花叶芦竹、香根鸢尾、水葫芦)为研究材料,构建生物塘系统,通过差速离心法和五步提取法,提取植物各亚细胞组分和不同化学形态的镉,并用原子吸收分光光度法测定镉含量,分析镉在水生植物体中富集特征,揭示植物对镉的耐性机制。结果表明:(1)水生植物根中镉富集量大于茎和叶;3种类型水生植物富集镉能力表现为沉水植物(粉绿狐尾藻、黑藻)浮水植物(水葫芦)挺水植物(长苞香蒲、水生美人蕉、花叶芦竹、香根鸢尾)。(2)镉在黑藻、水葫芦和花叶芦竹中的亚细胞分布量均呈现为细胞壁可溶组分原生质体线粒体,所占比例分别为37.16%~50.86%、20.69%~31.21%、10.81%~23.83%、8.15%~19.83%。(3)赋存化学形态表现为以氯化钠提取态、醋酸提取态为主,所占比例分别为29.37%~56.27%和15.06%~36.19%。研究发现,粉绿狐尾藻、水葫芦、水生美人蕉和花叶芦竹4种植物为富集镉较好的植物,而黑藻、香根鸢尾和长苞香蒲3种植物的镉富集能力相对较弱;镉主要以果胶酸盐、蛋白质结合态或吸附态存在于植物根的细胞壁和液泡中,以减弱镉对根细胞器和植物地上部分的毒害。     

重金属镉的转运蛋白研究进展

重金属镉(Cadmium,Cd)是一种工业和环境污染物,长期接触可对人体及其他动植物造成毒害。镉作为机体的非必需金属,需要借助必需金属的转运蛋白进入细胞。文章总结了机体中参与镉运输的关键转运蛋白,包括金属硫蛋白、谷胱甘肽、植物螯合素等富含半胱氨酸的蛋白质以及必需金属离子的转运蛋白等,以期为后续镉中毒防治靶点的研究提供一些参考。     

植物响应重金属镉胁迫的耐性机理研究进展

重金属污染是全球面临的重大环境污染问题之一。镉是植物生长发育非必需的微量元素,不仅影响植物生长发育,甚至会造成植物死亡,并且可通过在植物体内积累而威胁人类的生命健康。因此,植物对重金属镉的吸收是环境污染研究领域的一个热点问题。现主要从重金属镉对植物生长发育的影响及植物的抗氧化系统、不同类型转运蛋白家族等方面对植物耐受镉胁迫的机理进行综述,并对相关研究领域的一些重点问题进行了展望。     

滨海盐渍土壤中不同类型盐生植物富集镉的效应

为了利用被镉污染的滨海盐渍土壤,通过实验对比分析3种不同类型盐生植物对盐渍土中镉的富集效应,以期初步探明不同类型盐生植物在镉污染盐渍土壤修复中的效果。选择的3种盐生植物类型是:聚盐盐生植物,泌盐盐生植物和避盐盐生植物。通过温室盆栽实验,将植物在不同镉含量的盐渍土壤中种植培养60 d,测定和分析不同类型盐生植物对镉的生物浓缩因子、转移系数以及植株内地上部分和根部生物量和镉含量的变化。结果表明,不同镉含量的土壤对碱蓬和芦苇的生长影响较小,对二色补血草的生长影响较大。不同镉含量的土壤中,芦苇地上部分镉的生物浓缩因子变化差异不显著,并且其地上部分吸收镉的百分率较高。碱蓬和芦苇的转移系数大于二色补血草的转移系数,并且碱蓬的转移系数在不同镉含量的土壤中变化不显著;二色补血草的转移系数随着土壤中镉含量的增加而显著增大。3种盐生植物中,碱蓬最具修复镉污染盐渍土壤的潜力,这可能和它是聚盐盐生植物的生理类型有关。芦苇整个植株的地上部分富集镉的总量在3种植物中是最高的,因此,芦苇在镉含量较低时也可以做为镉污染盐渍土壤的修复材料。     

碱性土壤盐化过程中阴离子对土壤中镉有效态和植物吸收镉的影响

镉是土壤环境中对土壤质量有着极其重要影响的污染物之一,低含量下就能对人体和动物产生危害.镉在土壤中的有效态既决定了它的生物有效性及对环境的危害程度,又是人们对受污染土壤进行治理和修复的基础.作为盐化土壤中的典型组分,无机盐不可避免对镉的有效态及生物有效性等地球化学行为产生明显影响.研究了碱性土壤盐化过程中无机盐阴离子对土壤中镉有效态和植物吸收镉影响.研究方法为:以钠盐为例,实验研究了碱性土壤盐化过程中无机盐阴离子对土壤中镉有效态的影响;通过油菜种植试验,分析了无机盐阴离子对土壤中镉生物有效性的影响.研究结果表明,土壤盐化过程中,土壤溶液中Cl-浓度较低时,土壤中镉的有效态含量随Cl-浓度增加而增大,但当土壤中Cl-/Cd的比值大于100∶1时,土壤中镉的有效态含量达到最大值.土壤溶液中SO42-含量对土壤中镉有效态含量的影响不明显;随着土壤溶液中HCO3-含量的增加,土壤中镉的有效态含量明显减少.由于Cl-、SO42-是土壤溶液中的主要成分,随着盐度的增加,镉的有效态含量增加.油菜种植试验显示,当土壤中Cl-的含量增加时,土壤中镉的有效态含量增加,有利于植物对镉的吸收,因此油菜中镉的含量随土壤中Cl-的含量增加而增加,但当土壤有效态含量超过2 mg/kg后,油菜吸收镉已经达到最大.随着土壤溶液中SO42-浓度的增加,油菜中镉含量基本不变;土壤溶液中HCO3-的含量增加,植物中镉的含量随土壤中HCO3-含量增加而减少.这些特征与土壤镉有效态变化相吻合.通过各种措施控制土壤盐度和调节阴离子类型和含量,有利于降低土壤中镉的有效态含量,减轻镉的活化;农业生产中适当调整无机肥料的种类,可以减少农作物对镉的吸收.     

超累积植物与高生物量植物提取镉效率的比较

利用植物修复污染的土壤已受到广泛的关注.采用土壤盆栽试验,比较了超累积植物遏蓝菜与3种高生物量植物印度芥菜、烟草和向日葵对长期施用含镉有机、无机肥料污染的土壤(总Cd,2.87mg·kg-1)的提取效率.研究结果表明,遏蓝菜富集镉的能力明显高于其他3种植物,其地上部镉含量可达43.7mg·kg-1,分别是烟草、印度芥菜和向日葵(叶)的10、27和56倍;而地上部生物量最高的植物烟草,其生物量干重为24.8g· pot-1,分别是遏蓝菜、印度芥菜、向日葵的35倍、3倍、2倍.4种植物提取镉最多的是烟草,每盆可以提取117μg,遏蓝菜和印度芥菜提取镉量分别为35μg·pot-1和30μg·pot-1,向日葵提取量最少,每盆仅为10μg左右.植物对土壤中镉的提取效率分别为:烟草 1%,遏蓝菜0.6%,印度芥菜 0.5%,向日葵0.08%.4种植物种植后,土壤总镉和有效态镉含量没有显著的变化.     

镉在南美蟛蜞菊、蟛蜞菊及其杂交种中的迁移和分布特征

为了解植物对镉的吸收和迁移特性,用200μmol/L镉处理蟛蜞菊(Sphagneticola calendulacea)、南美蟛蜞菊(S.trilobata)及其杂交种,研究了其对镉的吸收、迁移与分布的差异.结果表明,随着镉处理时间的延长,3种植物茎和叶中的镉含量逐渐上升,叶片的镉含量逐渐与茎相当,而根部的镉含量一直是...     

玉米自交系富集镉能力和最佳收获时期

采用沈阳张士污灌区污染土壤盆栽6个玉米自交系试验研究玉米自交系富集镉的能力和最佳的收获时期。试验结果表明,M017、1487、丹598、340、5003和880富集镉能力最强的时间分别为生长140d、170d、140,170d、140d、170d和170d,是最佳收获时期。按照植物含水率为95％来估算的话,镉超富集植物以湿重计的最低生物富集量系数为84t／hm^2。玉米自交系1487、340和5003具备镉超富集植物的特征。     

镉在土壤-植物-人体系统中迁移积累及其影响因子

环境镉(Cd)污染对微生物、植物、动物和人体均可产生较大的危害。食物链是镉对普通人群造成健康危害的主要途径之一。污染土壤中的镉通过植物根系吸收与体内转运最终在植物可食部分中积累。Cd通过食物链进人人体并在体内蓄积受许多因素的影响,这些影响因素主要有3个方面：土壤性质(土壤含镉量、pH、有机质、粘土矿物和土壤养分状况),植物特性(包括基因型差异、根际过程和植物生理机制)和人体微量元素营养状况等因素。本文就镉在食物链中迁移积累及其调控机理的研究进展进行简要的综述。     

单一与复合污染条件下两种敏感性植物对Cd、Zn、Pb的吸收效应

为了进一步研究镉、锌、铅 3种重金属元素间的相互作用以及对植物吸收重金属能力的影响 ,在模拟单一重金属污染试验研究的基础上 ,采用正交回归设计方案 ,研究了 Cd、Zn、Pb复合污染情况下紫花苜蓿和披碱草两种敏感性植物对 3种重金属的吸收效应。结果表明 ,在单一污染条件下 ,镉元素对紫花苜蓿生长的影响大于锌、铅 ,铅元素对披碱草生长的影响大于锌、镉 ;紫花苜蓿对于镉的吸收累积显著高于披碱草 ,植物内镉元素浓度最高达到 1 0 88.5 mg/kg,而披碱草对于铅元素的吸收则高于紫花苜蓿 ,植物内铅元素浓度最高达到 1 3 4 5 .5 mg/kg。在复合污染条件下 ,两种植物对铅、锌和铅、镉的吸收在不同浓度范围内分别存在存在着协同效应和拮抗效应 ;同时两种植物对锌、镉元素在实验涉及浓度范围内都存在着拮抗效应。这对于深入研究复合污染条件下重金属的土壤环境化学行为 ,对植物的综合毒性以及不同植物对重金属的吸收累积效应等 ,具有一定的参考意义     

缺硫对万寿菊镉积累的影响

采用营养液培养法,研究了缺硫对万寿菊(Tagetes erecta)各器官镉积累的影响,以及巯基化合物和有机酸等在各器官镉积累中的作用.结果表明:0.1 mg·L-1镉处理7 d,缺硫处理显著降低了植物根、茎和叶中的镉含量,较对照分别降低了47%、38%和61%;缺硫对植物体内半胱氨酸、γ-谷氨酰半胱氨酸、谷胱甘肽和有机酸的合成没有显著影响,而且3种巯基化合物的含量都很低;缺硫植物根部合成的植物络合素的量显著降低,这可能是植物体内镉积累减少的主要原因;在植物的各器官中,叶片中的有机酸含量最高,而在叶片中未检测到植物络合素,由此可推断,叶片中积累的镉主要与有机酸结合;缺硫影响了根部植物络合素的合成,进而降低了植物体内镉的积累,而缺硫没有影响植物体内有机酸的合成,有机酸可能仅是参与植物组织中与镉的络合作用.     

甜高粱在镉胁迫下的生理生化和应答机理研究进展

生活垃圾、化肥、农药、制造业及采矿业的发展造成了土壤重金属的污染。系统总结了甜高粱在镉胁迫下的生理生化机制、耐受性及分子机理,其中生理生化机制主要是镉胁迫对甜高粱种子萌发和幼苗生长、抗氧化物酶活、光合参数、超微结构和微量元素吸收的影响,而甜高粱对镉的耐受性包括外排机理和内部耐受性,外排机理主要是常见的重金属外排蛋白黄色条状蛋白、重金属ATP酶4、植物镉抗性蛋白1和多效型耐药蛋白8,内部耐受性主要有重金属的螯合、液泡区室化重金属。耐受性分子机理主要依赖谷胱甘肽途径的调节,晚期胚胎丰富蛋白和自然抗性相关巨噬蛋白的表达。此外,甜高粱对镉的吸收积累和转运相关蛋白的研究,主要指镉进入植物的主要过程和镉在植物体的积累顺序、相关的细胞膜锌铁离子转运蛋白和自然抗性相关转运蛋白的转运。最后,对甜高粱用于生物修复的优点进行了说明和展望,并提出了存在的问题和今后研究的方向,以期为今后甜高粱的育种及培育出高效修复镉污染的甜高粱新品种提供依据。     

木本植物对Cd~(115+115m)的吸收及其在体内的分配

一、前言 近年来,随着采矿、冶炼以及镉处理等工业的发展,不仅有大量废水中的镉通过土壤——植物进入食物链,给人造成危害,而且还有大量含镉粉尘污染大气环境,通过呼吸及消化道进入人体,直接给人以危害。因此,镉污染及其防治问题引起了人们极大的关注。国内外对水稻、小麦、玉米及蔬菜、牧草中镉的吸收积累规律作了不少研究(董克虞等,1981;陈铨荣等,1978:陈涛等,1980:Reddy等,1977)。     

有机物质对土壤镉有效性的影响研究综述

土壤中的低分子有机酸和腐殖酸对镉的有效性有重要作用。根系分泌的低分子量有机酸能提高土壤镉的可提取率、移动性和生物有效性,但是更大分子量的有机酸EDTA却抑制植物对镉的吸收,腐殖酸促进土壤镉的溶解性;因腐殖酸组分和环境条件,腐殖酸能够促进也能抑制土壤镉活性,因此有必要深入研究影响腐殖酸固定镉的因素,以达到利用有机质抑制土壤镉活性的目的。     

植物防御素调控水稻镉积累的新机制

镉是我国农产品的主要重金属污染物之一。随着我国土壤重金属污染问题日益突出, 包括稻米在内的农产品重金属超标时常发生。如何防控重金属在作物可食部位的积累, 在保证农产品安全的同时将农田重金属进行移除修复, 已成为我国农业生产急需解决的问题。最近, 中科院上海生命科学院植物生理生态所龚继明研究组和中国水稻所钱前研究组克隆到1个特异调控镉在水稻(Oryza sativa)叶片中积累的主效QTL基因CAL1。CAL1编码1个植物防御素类似蛋白, 通过与镉进行螯合, 将镉从维管束木质部薄壁细胞中分泌出来, 进入木质部参与长距离转运, 从而定向调控镉在水稻叶片等营养器官的积累而不影响籽粒镉的积累。该研究加深了人们对重金属镉在植物体内的转运和再分配机理的认识, 同时也为培育秸秆镉高积累而籽粒镉含量达标的“修复型”水稻品种提供有价值的新基因。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。